Sau khi được tái cử làm Chủ tịch Hội đồng Corrèze tháng 3 năm 2011, Hollande thông báo ông sẽ tham gia chạy đua trong cuộc bầu cử sơ bộ để chọn lựa ứng cử viên đại diện cho Đảng Xã hội và Đảng cánh Tả Cấp tiến trong cuộc bầu cử tổng thống Pháp.[12] Cuộc bầu cử sơ bộ đánh dấu lần đầu tiên cả hai đảng tổ chức một cuộc bầu cử mở để lựa chọn một ứng cử viên chung cùng lúc. Ban đầu ông đứng thứ hai sau cựu Bộ trưởng Tài chính và Giám đốc Điều hành IMF Dominique Strauss-Kahn. Sau khi Strauss-Kahn bị bắt giữ vì nghi ngờ có hành vi tấn công tình dục tại New York tháng 5 năm 2011, Hollande bắt đầu dẫn đầu trong những cuộc thăm dò. Vị trí dẫn đầu của ông càng được củng cố khi Strauss-Kahn tuyên bố ông không tiếp tục tham gia tranh cử. Sau một loạt những cuộc tranh luận trên truyền hình trong suốt tháng 9, Hollande đứng đầu sau vòng một cuộc bỏ phiếu tổ chức ngày 9 tháng 10 với 39% số phiếu, không giành đủ 50% để thắng cử trực tiếp không cần qua vòng hai, nơi ông đối đầu với Martine Aubry, người về nhì với 30% phiếu bầu.

Vòng bỏ phiếu thứ hai diễn ra ngày 16 tháng 10 năm 2011. Hollande giành 56% số phiếu so với 43% của Aubry và vì thế trở thành ứng cử viên chính thức của Đảng Xã hội và Đảng cánh Tả Cấp tiến cho cuộc Bầu cử tổng thống Pháp năm 2012.[13] Sau những kết quả ban đầu, ông lập tức giành được lời cam kết ủng hộ của những đối thủ bên trong đảng, gồm cả Aubry, Arnaud Montebourg, Manuel Valls và ứng cử viên tổng thống năm 2007 Ségolène Royal.[14]

Chiến dịch tranh cử tổng thống của Hollande được điều hành bởi Pierre Moscovici và Stéphane Le Foll, một Thành viên Nghị viện và Thành viên Nghị viện châu Âu.[15] Hollande chính thức tung ra chiến dịch tranh cử với một cuộc vận động và phát biểu tại Le Bourget ngày 22 tháng 1 năm 2012 với 25,000 người tham gia.[16][17] Các chủ đề chính của bài phát biểu của ông là sự công bằng và quản lý tài chính, cả hai điều mà ông hứa sẽ trở thành một phần chính trong chiến dịch tranh cử của mình.[17]

Ngày 26 tháng 1 ông vạch ra một danh sách đầy đủ các chính sách của mình trong một bản tuyên cáo với 60 đề xuất, gồm cả việc chia tách các hoạt động bán lẻ khỏi lĩnh vực kinh doanh đầu tư ngân hàng đầy rủi ro; tăng thuế đánh vào các công ty lớn, ngân hàng và người giàu; tạo ra 60,000 công việc giảng dạy; đưa tuổi nghỉ hưu trở lại về mức 60 từ mức 62 hiện tại; tạo ra các công việc được trợ cấp tại những khu vực có tỷ lệ thanh niên thất nghiệp cao; khuyến khích nhiều ngành công nghiệp tại Pháp hơn bằng cách lập ra một ngân hàng đầu tư công; trao quyền hôn nhân và nhận con nuôi cho những cặp đồng tính; và rút quân đội Pháp khỏi Afghanistan trong năm 2012.[18][19] Ngày 9 tháng 2, ông vạch chi tiết các chính sách của mình liên quan tới giáo dục trong một bài phát biểu chính tại Orléans.[20]

Ngày 15 tháng 2, Tổng thống đương nhiệm Nicolas Sarkozy thông báo ông sẽ chạy đua cho một nhiệm kỳ thứ hai, mạnh mẽ chỉ trích các đề xuất của Hollande, và tuyên bố rằng ông sẽ đưa lại "thảm họa kinh tế trong hai ngày sau khi nhậm chức" nếu ông thắng cử.[21]

Hollande tới thăm Berlin, Đức, tháng 12 năm 2011 tham gia Đại hội Liên bang của Đảng Xã hội Dân chủ, tại đây ông đã gặp Sigmar Gabriel, Peer Steinbrueck, Frank-Walter Steinmeier và Martin Schulz;[22][23] ông cũng tới Bỉ trước khi đến Vương quốc Anh vào tháng 2 năm 2012, nơi ông gặp Lãnh đạo đối lập Ed Miliband; và cuối cùng là Tunisia tháng 5 năm 2012.[24][25]

Những cuộc thăm dò ý kiến cho thấy có một cuộc đua sát nút giữa hai ứng cử viên trong vòng bầu cử đầu tiên, với hầu hết kết quả cho thấy Hollande ở trước Sarkozy một khoảng cách sẽ khiến cuộc bầu cử phải tiếp tục ở vòng hai.[26]

Vòng một cuộc bầu cử tổng thống được tổ chức ngày 22 tháng 4. François Hollande về nhất với 28.63% phiếu bầu và sẽ đối mặt với Nicolas Sarkozy ở vòng hai.[27]Ở vòng bầu cử thứ hai ngày 6 tháng 5 năm 2012, François Hollande được bầu làm Tổng thống Cộng hòa Pháp với 51.7% phiếu bầu.[1]